創設驅動性化學問題，培育學生化學核心素養
——以“鐵的冶煉”的教學為例

曹晶晶 張彩玲

（1.南京市金陵中學仙林分校中學部 江蘇 南京 210046；2.南京市棲霞區教師發展中心 江蘇 南京 210046）

《義務教育化學課程標準（2022年版）》指出：義務教育階段化學課程要培養的核心素養包括化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態度與責任。課程理念中要求重視開展核心素養導向的化學教學，注重啟發式、互動式、探究式教學，引導學生自主學習，開展以化學實驗為主的多樣化探究活動，創設真實的問題情境。課程目標中核心素養內涵的科學思維主要包括：在解決化學問題中所運用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學方法，基于實驗事實進行證據推理、建構模型并推測物質及其變化的思維能力，在解決與化學相關的真實問題中形成的質疑能力、批判能力和創新意識。［1］

“鐵的冶煉”一課題貼近生產，筆者通過精心設計驅動性問題讓學生認識實驗室模擬煉鐵和工業煉鐵的過程，并以驅動性問題貫穿整個教學過程，在分析和解決問題的過程中獲得知識和技能，逐漸培育科學思維。

“鐵的冶煉”這一課的知識網絡如圖1所示，教學流程如圖2所示。

圖1 知識網絡

圖2 教學流程

一、教學目標

1.知道一些常見金屬礦物（鐵礦、鋁礦等）的主要化學成分。

2.知道從鐵礦石中將鐵還原出來的方法，了解實驗室將氧化鐵還原成鐵的原理。

3.通過對實驗室將氧化鐵轉化成鐵原理的學習，增強研究化學物質和創造化學物質的好奇心和探究欲望。

二、教學過程：

1.問題情境，設疑導入

南京博物院是我國四大博物館之一，里面豐富的文物展示了中國古代南方精神文化和物質文化的多樣性。從古代到現代，金屬制品已經廣泛地應用于我們生活和生產的方方面面（展示生活和生產中常見的金屬制品的圖片）。通過問題引入新課（見表1）。

表1 來自生產中的驅動性問題

設計意圖：利用身邊真實的素材，形成驅動性問題。設計驅動性問題時，需要考慮驅動性問題與課堂教學的結合，進行驅動性問題的教學化設計，使驅動性問題更好地應用于課堂教學實踐。［2］在上課開始時創設問題情境，使學生能對所學內容產生疑問和思考，使他們進入良好的學習狀態。

【過渡】工業上從含有金屬元素并有開采價值的礦石中提煉金屬，大自然向人類提供了豐富的金屬礦物資源，人類每年從礦產中提取數億噸金屬用于生產領域，其中，提取量最大的是鐵，今天我們一起來學習鐵的冶煉。

2.設計問題鏈，引發深度思維

【活動探究一】實驗室模擬煉鐵。

通過問題鏈讓學生思考實驗室煉鐵的還原劑，確定反應物及反應條件（見表2）。

表2 來自探究實驗的驅動性問題

設計意圖：煉鐵的原理是較為復雜問題，教師在教學中把這個復雜問題拆分成有內在聯系的3個小問題，從鐵礦石—氧化鐵—鐵，通過一個個節點問題的解決，最終引導學生得出煉鐵的原理：用一氧化碳還原氧化鐵，這樣的問題鏈，降低了學生的思維難度，有助于使學生循序漸進地解決問題。

通過問題鏈引導學生確定反應原理，選擇合適的實驗裝置，并組裝出合適的實驗裝置（見表3）。

表3 來自探究實驗的驅動性問題

設計意圖：學生已有認識是碳還原氧化銅的裝置，在碳還原氧化銅的實驗裝置基礎上進行改進來設計一氧化碳還原氧化鐵的裝置。通過一氧化碳的性質推測尾氣處理的裝置。實驗室模擬煉鐵是一個較為復雜的過程，通過一系列“子問題”的解決，完成問題的求解過程。［3］

【演示實驗】將課本中的實驗改為微型實驗。

【實驗現象】固體由紅棕色變成黑色，澄清石灰水變渾濁。

圖3 一氧化碳還原氧化鐵微型實驗

【討論】石灰水變渾濁說明有二氧化碳生成，如何證明黑色的粉末中有鐵生成？

【學生】用磁鐵吸引。

教師請學生上臺用磁鐵吸引右管中的生成物。

【教師】這個方法只能說明生成了有磁性的物質，可能是Fe，也可能是Fe3O4。更進一步的實驗說明確實有鐵生成。

【得出結論】一氧化碳與氧化鐵在高溫條件下反應，生成鐵和二氧化碳。

通過驅動性問題，認識從實驗室煉鐵到工業煉鐵；認識從古至今煉鐵的演變（見表4）。

表4 來自古代生產的驅動性問題

設計意圖：春秋晚期煉鐵土窯中鋪一層鐵礦石再鋪一層木炭，是為了在反應中增大反應物的接觸面積從而使反應更加充分。通過鐵的冶煉的原理，將實驗室模擬煉鐵自然過渡到工業煉鐵。能夠使課堂的結構性、整體性和統一性更強。

【活動探究二】工業煉鐵。

通過三個問題認識工業煉鐵的過程。讓學生帶著問題看視頻（見表5）。

表5 來自工業生產的驅動性問題

設計意圖：在工業煉鐵中需要學生掌握高爐煉鐵的原理，因為煉鐵的原料中有焦炭，一部分同學會誤以為工業煉鐵的還原劑是碳，其實在高爐煉鐵的過程中焦炭的作用是提供熱量和提供還原劑一氧化碳。最終得出工業煉鐵的原理是：在高溫下，利用一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來。

3.聯系生產、學以致用

在實際生產中所用的原料或產物一般都含有雜質，在計算用量或產量時應考慮到雜質的問題。

【例題】我國遼寧鞍山鋼鐵廠用1000噸含80%氧化鐵的赤鐵礦石煉鐵，所得到的生鐵中最多含鐵的質量是多少?理論上可以煉出含鐵96%的生鐵的質量是多少？

設計意圖：討論這一類計算題的解法時，需要學生清楚高爐煉鐵的原理，要把含雜質物質的質量換算成純凈物的質量才能利用化學方程式進行計算，或者根據鐵元素的守恒關系求含鐵量。

【結束語】從礦石到鐵的過程，凝結了從古至今勞動人民的智慧，從礦石到鐵到再到制造各種金屬材料，化學知識在社會發展的過程中起到了非常重要的作用。金屬材料的廣泛使用，不僅改善了人們的生活，更促進了社會的發展，是社會進步的基礎，也是現代文明的脊梁（展示古今煉鐵的兩幅圖片和中國高鐵、神舟五號的圖片）。

三、教學反思

1.讓學生形成物質可以分為不同類別和化學變化可以實現物質轉化的觀念

用博物館中金屬文物的保存情況讓學生回憶金屬的化學性質，從而讓學生知道金屬在自然界中有不同的存在形式。讓學生知道可以通過化學變化實現從氧化鐵到鐵的轉化。

2.讓學生形成科學的思維，在解決化學問題中運用比較、分析、綜合、歸納等科學方法

筆者設計了三個驅動性問題鏈。問題鏈一從氧化鐵到鐵的轉化，大部分學生能夠通過之前學習的碳和一氧化碳具有還原性，想到用這兩種物質作為還原劑。學生對整個學習過程很感興趣或者比較感興趣，證明了驅動性問題鏈一具有一定的激發作用。

問題鏈二中的“實驗中有哪些注意事項？”問題比較難，需要學生仔細思考和討論才能回答。這個問題的驅動性不強，導致整個驅動性問題鏈難度增大，給學生造成了困擾。教學過程中需要教師幫助學生共同討論，適當給出提示才能較好地解決這一問題。

問題鏈三的設計取得的教學實踐結果良好。學生經過仔細思考和討論后可以回答出來。問題鏈的每一個問題都是針對上一個問題的結論所提出的新的問題，對于促進學生的認識發展具有激發和促進作用。

本節課問題鏈的設計包括兩個方面，一是教師在課堂中按照內在的邏輯關系形成有邏輯順序的問題鏈，如：活動探究一“實驗室模擬煉鐵的實驗裝置的選擇”；活動探究二“從工業煉鐵的設備到原料到產品的討論”。問題鏈使課堂的結構性、整體性和統一性更強。二是教師將實驗室模擬煉鐵這樣一個較為復雜的實驗探究問題拆分成有內在聯系的問題鏈，通過鏈條中一個個節點問題的解決，最終實現復雜問題的解決。這樣的問題鏈，給學生的思維過程搭建了腳手架，降低了學生的思維難度，有助于使學生循序漸進地解決問題，得到了較好的教學效果。［3］